浪涌保護(hù)器（SPD）的原理和選型

SPD是Surge Protective Device的簡(jiǎn)寫(xiě)，中文名稱(chēng)有：電涌保護(hù)器、浪涌保護(hù)器、防雷柵、雷電浪涌防護(hù)器、防雷器等。

SPD浪涌保護(hù)器其內(nèi)部包含至少一個(gè)非線性元件。當(dāng)電涌出現(xiàn)時(shí)，SPD能在極短的時(shí)間導(dǎo)通，將電流泄放到地，其響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)（10-9S），而電涌的上升速度一般為μs級(jí)（10-6S），因此SPD可以把電壓限制在安全的水平，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

SPD浪涌保護(hù)器可以理解為一個(gè)“瞬時(shí)接地設(shè)備”，對(duì)于不帶電的物體如設(shè)備外殼、管道等，一般可以直接接地，而對(duì)于帶電的線路，通過(guò)SPD來(lái)“瞬時(shí)接地”。

SPD浪涌保護(hù)器內(nèi)部常用的非線性元器件有TVS（瞬態(tài)抑制二極管）、壓敏電阻（MOV）和氣體放電管（GDT）。

這幾種元件中，TVS響應(yīng)最快，但放電電流較小，GDT放電能力大，但是響應(yīng)較慢，MOV的放電能力和響應(yīng)速度均居中。

SPD種類(lèi)繁多，從應(yīng)用的角度，我們可以把SPD分為電源SPD和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)SPD。兩者最主要的區(qū)別在于：

1） 電源回路工作電流大，而信號(hào)網(wǎng)絡(luò)回路工作電流較小。

2） 電源SPD要求的放電電流較大，而信號(hào)網(wǎng)絡(luò)回路要求的放電電流較小。

在實(shí)際應(yīng)用中，電源SPD一般并聯(lián)安裝，采用MOV單級(jí)保護(hù)。

采用并聯(lián)安裝，是因?yàn)殡娫椿芈饭ぷ麟娏鞔?，如采用串?lián)安裝，則SPD需要承受很大的回路工作電流。

采用MOV，是因?yàn)門(mén)VS放電能力不足，而GDT存在工頻續(xù)流問(wèn)題。采用單級(jí)保護(hù)（且不同級(jí)之間要求間隔一定的距離），是為了滿(mǎn)足能量協(xié)調(diào)要求（后附工頻續(xù)流和能量協(xié)調(diào)概念解釋?zhuān)?/p>

地凱科技信號(hào)****SPD浪涌保護(hù)器一般采用串聯(lián)安裝方式，采用GDT和TVS兩級(jí)保護(hù)。SPD可以用串聯(lián)安裝方式。

采用串聯(lián)安裝方式，首先是因?yàn)樾盘?hào)回路電流小，另外串聯(lián)安裝可以做到多級(jí)保護(hù)，并且滿(mǎn)足能量協(xié)調(diào)。

采用GDT（和TVS）而不采用MOV，是因?yàn)镸OV結(jié)電容較高，且放電能力相同的情況下，其尺寸比GDT大很多。另外，信號(hào)回路由于電流（電壓）較小，使用GDT時(shí)也一般不需要擔(dān)心工頻續(xù)流問(wèn)題。

補(bǔ)充知識(shí)1：什么是工頻續(xù)流？

GDT（氣體放電管），屬于開(kāi)關(guān)型元件，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)取決于其內(nèi)部空氣是否被擊穿。使用開(kāi)關(guān)型元件的SPD稱(chēng)作開(kāi)關(guān)型SPD。開(kāi)關(guān)型，顧名思義，就是工作在“開(kāi)”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。

當(dāng)電力線上的電壓低于其開(kāi)啟電壓時(shí)，其工作在“開(kāi)”（高阻）的狀態(tài)，當(dāng)電力線電壓高于其開(kāi)啟電壓時(shí)（如電涌產(chǎn)生），其工作在“關(guān)”（導(dǎo)通）的狀態(tài)，可以泄放很大的電流。

開(kāi)關(guān)型元件的導(dǎo)通狀態(tài)通常是氣體弧光放電的過(guò)程，因?yàn)榫S持弧光放電的電壓只需要幾十伏（通常低于電力線的額定工作電壓），所以在電涌消失后，施加在SPD上的電力線電壓使得弧光放電得以維持，這就是工頻續(xù)流。工頻續(xù)流會(huì)使得在電涌消失后，SPD無(wú)法返回到開(kāi)路（高阻）狀態(tài)，造成SPD發(fā)熱甚至炸裂，引發(fā)火災(zāi)事故。

所以開(kāi)關(guān)型SPD一般只用于電源系統(tǒng)N-PE之間（或低壓低流的信號(hào)系統(tǒng)中），如果要應(yīng)用在電力線上，其必須具備續(xù)流遮斷能力。

補(bǔ)充知識(shí)2：什么是能量協(xié)調(diào)？

所謂能量協(xié)調(diào)，就是多級(jí)SPD或保護(hù)元件，其放電能力大小不一，在一起使用時(shí)，必須使雷電流合理分配，以保證放電能力較小的SPD或元件不會(huì)損壞。

如下圖，SPD1放電能力大，殘壓高，SPD2放電能力小，殘壓低。為了達(dá)到較好的保護(hù)效果（放電能力大，而且殘壓低），同時(shí)使用SPD1和SPD2。但實(shí)際情況下，雷電流并不一定按你預(yù)想的那樣，大部分經(jīng)SPD1泄放，少部分經(jīng)SPD2泄放。如果做不到能量協(xié)調(diào)，SPD2會(huì)因?yàn)榉謸?dān)過(guò)大的雷電流而損壞。

同樣，對(duì)于信號(hào)SPD，也存在能量協(xié)調(diào)問(wèn)題。如果能量不能協(xié)調(diào)，TVS就容易損壞。

電源SPD在安裝時(shí)要求兩級(jí)之間間隔5-10m的距離，就是為了實(shí)現(xiàn)能量的協(xié)調(diào)；信號(hào)SPD一般會(huì)在GDT和TVS之間加上一個(gè)耦合電阻，其目的也是為了實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)。因?yàn)殡娮钑?huì)消耗功率，所以只適合在電流較小的信號(hào)回路加。

以上了解了SPD的基本工作原理，接下來(lái)我們了解一下SPD的主要技術(shù)參數(shù)、SPD選擇。

電源SPD的主要技術(shù)參數(shù)和選擇：

1.最大持續(xù)工作電壓Uc

2.放電能力

標(biāo)稱(chēng)放電電流In（8/20us）： SPD能承受該波形沖擊10次以上。

最大放電電流Imax（8/20us）：SPD能承受該波形沖擊至少1次。

沖擊放電電流Iimp（10/350us）：SPD能承受該波形沖擊至少1次

3.電壓保護(hù)水平Up

4.SPD的組合模式

SPD是一個(gè)“瞬時(shí)等電位連接”設(shè)備，在系統(tǒng)正常工作的情況下，其呈現(xiàn)“開(kāi)”（高阻）的狀態(tài)，因此SPD的Uc值必須高于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大持續(xù)工作電壓，否則SPD安裝后，還沒(méi)等浪涌產(chǎn)生，SPD就已經(jīng)損壞，甚至可能引起火災(zāi)事故。

對(duì)于Uc的選擇，標(biāo)準(zhǔn)中GB 50343建議如下：

在這里需要注意相電壓和線電壓的區(qū)別。比如220/380VAC電壓系統(tǒng)中，相電壓是220VAC，線電壓（兩相之間）是380VAC。電源SPD一般是安裝在相與零或相與地之間，所以Uc值應(yīng)該和相電壓220VAC比較。

在實(shí)際的應(yīng)用中，Uc值一般都會(huì)多留一些余量。不同國(guó)家，電網(wǎng)質(zhì)量情況不同。歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，電網(wǎng)較穩(wěn)定，Uc的余量會(huì)小一點(diǎn)。我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量一般，Uc余量要大一點(diǎn)。而在一些東南亞國(guó)家，電網(wǎng)質(zhì)量可能較惡劣，Uc值需要更高一些。

SPD的放電能力是SPD的核心性能指標(biāo)，理論上越大越好。其選擇可以參考GB 50343標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)表格，是根據(jù)被保護(hù)系統(tǒng)的重要性（ABCD等級(jí)）和SPD的安裝位置（防雷分區(qū)），來(lái)選擇SPD合適的放電電流。系統(tǒng)的重要性等級(jí)越高，SPD安裝位置越“靠外”，選擇的SPD放電電流應(yīng)越大。

需要理解的幾個(gè)概念：

1.雷電防護(hù)等級(jí)

根據(jù)防雷裝置的攔截效率E來(lái)確定，A級(jí)為98%，B級(jí)為90%，C級(jí)為80%，D級(jí)為80%以下，越重要的建筑，要求的攔截效率越高。由于攔截效率E理論上定量計(jì)算比較復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)中還給出了定性的劃分參考。在此不做深入介紹，可參考GB 50343第4章，雷電防護(hù)等級(jí)劃分和雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.雷電防護(hù)分區(qū)：

LPZ0A（LPZ：lightning protection zone），表示該區(qū)域無(wú)任何防護(hù)，受直接雷擊和全部雷電電磁脈沖威脅的區(qū)域。

LPZ0B，表示受直擊雷保護(hù)，但是受到全部雷電電磁脈沖威脅。

LPZ1，表示受直擊雷保護(hù)，且內(nèi)部雷電電磁脈沖經(jīng)屏蔽后已經(jīng)衰減。

LPZ2~n，表示受直擊雷保護(hù)，且內(nèi)部雷電電磁脈沖經(jīng)進(jìn)再次屏蔽后繼續(xù)衰減。

電壓保護(hù)水平Up：Up值是“表征SPD 限制接線端子間電壓的性能參數(shù)”，是一個(gè)“門(mén)檻”值，也就是說(shuō)，在規(guī)定的波形下測(cè)得的SPD的限制電壓，都不會(huì)超過(guò)這個(gè)值。

從單一維度講，Up越小越好。但實(shí)際上，Up值和Uc、測(cè)試波形相關(guān)。Uc越小，測(cè)試波形的峰值電壓、電壓上升速率或電流越小，Up越小。標(biāo)準(zhǔn)中，建議Up≤0.8Uw，Uw為設(shè)備耐壓值。一般情況下，這個(gè)條件并不難滿(mǎn)足，所以在選擇SPD時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)確認(rèn)產(chǎn)品的Uc和放電能力。

*實(shí)際應(yīng)用中，有可能Up大的SPD，實(shí)際殘壓反而更小。

假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，兩臺(tái)基于MOV的電源SPD，Uc相同，第1臺(tái)SPD，In=20kA，Up=1.5kV；第2臺(tái)SPD，In=10kA，Up=1.3kV。第1臺(tái)SPD的Up=1.5kV是在20kA下測(cè)得的，而第2臺(tái)SPD的Up=1.3kV是在10kA下測(cè)得的。在實(shí)際應(yīng)用中，面對(duì)同樣的沖擊電流，第1臺(tái)SPD的殘壓理論上會(huì)低于第2臺(tái)SPD的殘壓，盡管第1臺(tái)SPD的Up高于第2臺(tái)。

最后是電源SPD的組合模式。它需要根據(jù)電源系統(tǒng)的類(lèi)型來(lái)選擇。

同的電源系統(tǒng)，推薦的SPD組合模式如下：

TN-S：4P（3P+1）

TN-C，IT：3P

TT：3P+1

單相TN：2P

單相TT：1P+1

關(guān)于電源系統(tǒng)的類(lèi)型的區(qū)別和為什么選擇對(duì)應(yīng)SPD組合模式，在此就不深入介紹了。

信號(hào)SPD的主要技術(shù)參數(shù)和選擇：

1.最大持續(xù)工作電壓Uc

2.額定工作電流IL

3.放電能力

4.電壓保護(hù)水平

5.其他要求

1.Uc：原理上與電源SPD一樣，Uc應(yīng)大于回路的最大工作電壓，且留有一定的余量。不過(guò)相比電源SPD，信號(hào)SPD的Uc余量可以小一些，因?yàn)樾盘?hào)回路電源相對(duì)穩(wěn)定。

2.IL：由于信號(hào)SPD一般采用串聯(lián)安裝方式，IL不得小于工作回路的持續(xù)工作電流。如果是采用并聯(lián)安裝方式，則不需要考慮該參數(shù)。

3.放電能力：由于信號(hào)、信號(hào)相關(guān)設(shè)備的多樣性，實(shí)際應(yīng)用中的需求也不盡相同。在工控行業(yè)，一般要求In≥5kA，不少品牌已經(jīng)可以做到In=10kA。

4.電壓保護(hù)水平，原理上與電源SPD近似。實(shí)際應(yīng)該中需要考慮被保護(hù)產(chǎn)品的耐壓性能。一般來(lái)說(shuō)，如果被保護(hù)產(chǎn)品符合基本的EMC要求，Up值一般都滿(mǎn)足要求。如果被保護(hù)產(chǎn)品耐壓水平很低，另做考慮。

5.其他要求，如產(chǎn)品的接口類(lèi)型、保護(hù)線數(shù)、安裝方式、帶寬（高頻信號(hào)時(shí)需要考慮SPD引起的信號(hào)衰減）、防爆要求等等。